DE102004049587A1 - Auxiliary Power Unit for road vehicle has fuel cell running on synthesis gas and process air and has water cooling and has exhaust gas fed through valve to building block containing catalytic converter - Google Patents

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Abstract

The APU Auxiliary Power Unit has an air line (6) and a line (5) carrying synthesis gas. They enter a water-cooled (7) fuel cell (1) with a process air feed system (2). Exhaust gas (8a) leaves the fuel cell with a temperature of 300-600[deg]C. The hot exhaust gas passes through a valve (4) leading to a exhaust gas catalyser and silencer block (3). Cooling water (9a) is fed to the block and warm water (9b) leaves it. Cold processed exhaust gas (8b) leaves the block. The valve may admit exhaust gas into a bypass line (8c).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase eines in einem Kraftfahrzeug als Stromerzeuger eingesetzten Brennstoffzellensystems, umfassend einen Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (Abgas-Katalysator und/oder Partikelfilter).The The invention relates to a device for the treatment of the exhaust gases a fuel cell system used as a power generator in a motor vehicle, comprising a heat exchanger and an exhaust aftertreatment device (exhaust gas catalyst and / or Particulate Filter).

In Kraftfahrzeugen der Zukunft werden zunehmend als APU (auxiliary power unit) bezeichnete Energiewandler Verwendung finden. Diese Energiewandler zeichnet aus, daß sie unabhängig vom Betriebsmodus des Verbrennungsmotors elektrische und thermische Leistung zur Verfügung stellen können. Derartige Energiewandler können insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit selbsttätiger Motorabschaltung zu einem wesentlichen Bestandteil des Energiekonzepts werden. Da der Generator bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor nicht angetrieben wird, müssen elektrische Verbraucher von der Batterie gespeist werden, was eine entsprechend hohe Kapazität der Batterie erfordert.In Motor vehicles of the future are increasingly used as APU (auxiliary power unit) designated energy converters are used. These Energy converter stands out that she independently from the operating mode of the internal combustion engine electrical and thermal Power available can make. Such energy converters can especially in motor vehicles with automatic engine shutdown to a essential part of the energy concept. Because the generator is not driven when the internal combustion engine, electrical Consumers are powered by the battery, which is a corresponding high capacity the battery requires.

Wegen des hohen Wirkungsgrades ist eine Brennstoffzelle als APU zur Stromerzeugung besonders geeignet. Derartige Brennstoffzellen benutzen bei monovalentem Betrieb (d. h. es ist nur ein Kraftstoff an Bord) als Energieträger ein Wasserstoff- und Kohlenmonoxid enthaltendes Synthesegas, das mit einem Reformer aus dem Kraftstoff gewonnen wird, der auch dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Bei der in der Brennstoffzelle erfolgenden elektrochemischen Reaktion wird das Synthesegas mit Luftsauerstoff oxidiert, und es wird Wasser und Kohlendioxid gebildet, wobei Wärme und elektrische Leistung entstehen. Die Oxidation des Synthesegases ist aber nur unvollständig, so daß in dem aus der Brennstoffzelle austretenden Abgas noch brennbare Bestandteile, wie z. B. Kohlenmonoxid oder Wasserstoff oder Methan enthalten ist. Diese brennbaren Bestandteile müssen aufgrund von gesetzlichen Forderungen in einer Nachverbrennungsstufe zu Verbrennungsprodukten Wasser und Kohlendioxid umgesetzt werden. Bei nicht vollständiger Umsetzung (physikalischer Prozeß) kann das so entstandene Abgas jedoch immer noch Emissionen (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Partikel) enthalten. Aus diesem Grund fordern die Umweltbehörden in manchen Ländern eine Nachbehandlung des Abgases.Because of the high efficiency is a fuel cell as an APU for power generation particularly suitable. Such fuel cells use monovalent Operation (that is, there is only one fuel on board) as an energy source Hydrogen and carbon monoxide containing synthesis gas, which with a Reformer is derived from the fuel, which is also the internal combustion engine supplied becomes. In the taking place in the fuel cell electrochemical Reaction, the synthesis gas is oxidized with atmospheric oxygen, and it Water and carbon dioxide are formed, using heat and electrical power arise. The oxidation of the synthesis gas is only incomplete, so that in the exhaust gas emerging from the fuel cell still combustible constituents, such as As carbon monoxide or hydrogen or methane is contained. These combustible ingredients need due to legal requirements in a post-combustion stage be converted to combustion products of water and carbon dioxide. at not more complete Implementation (physical process) however, the resulting exhaust still produces emissions (nitrogen oxides, Hydrocarbons, carbon monoxide, particles). For this Reason the environmental authorities demand in some countries a post-treatment of the exhaust gas.

Da die Temperatur des Abgases der Brennstoffzelle in bestimmten Betriebspunkten über dem in manchen Ländern vorgeschriebenen Grenzwert (z. B. 400°C beim sog. Grasbrandtest) liegen kann, kann eine Kühlung erforderlich werden. Die in dem heißen Abgas enthaltene Wärmeenergie wird vorzugsweise mit einem Wärmetauscher entzogen. Die dem Abgas entzogene Wärme kann in der Folge genutzt werden, beispielsweise zum Heizen des Fahrgastinnenraums. Da der Verbrennungsmotor im abgeschalteten Zustand keine Wärme erzeugt, kann die dem Abgas der Brennstoffzelle entzogene Abwärme auch benutzt werden, um den Verbrennungsmotor und/oder das Kühlwasser und/oder das Getriebeöl vorzuwärmen.There the temperature of the exhaust gas of the fuel cell in certain operating points above the in some countries prescribed limit value (eg 400 ° C during the so-called grass fire test) can, can a cooling be required. The heat energy contained in the hot exhaust gas is preferably with a heat exchanger withdrawn. The heat extracted from the exhaust gas can be used in the sequence be, for example, for heating the passenger compartment. Since the Internal combustion engine does not generate heat when switched off The exhaust heat of the fuel cell extracted heat can also be used to preheat the engine and / or the cooling water and / or the transmission oil.

Beim Austritt des Abgases aus der Brennstoffzelle kommt es auch zu einer Geräuschentwicklung, die insbesondere im Stillstand des Fahrzeugs bei abgeschaltetem Verbrennungsmotors störend in Erscheinung tritt.At the Escape of the exhaust gas from the fuel cell, it also comes to a Noise, the particular at standstill of the vehicle when switched off Combustion engine disturbing appears in appearance.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei niedrigen Herstellungskosten und geringem Platzbedarf eine Rückgewinnung der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie, eine Umwandlung oder Rückhaltung der in dem Abgas enthaltenen schädlichen Stoffe und zugleich eine Verringerung der Schallemission ermöglicht.Of the Invention is the object of a device of the initially mentioned type, which at low cost and a small footprint a recovery the heat energy contained in the exhaust gas, a transformation or retention the harmful contained in the exhaust gas Substances and at the same time a reduction of the acoustic emission allows.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher und die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die als Schalldämpfer und/oder Schalldämmer ausgebildet ist. Diese Baueinheit erfüllt somit eine dreifache Funktion, indem sie gleichzeitig der Wärmerückgewinnung, der Nachbehandlung des Abgases und zur Verringerung der Schallemission dient.According to the invention this Task solved by that the heat exchangers and the exhaust aftertreatment device are combined to form a structural unit, as a silencer and / or Schalldämmer is trained. This unit thus fulfills a threefold function, while at the same time recovering heat, the post-treatment of the exhaust gas and to reduce the noise emission serves.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein von einer Brennstoffzelle gebildetes APU-System schematisch dargestellt. Eine Brennstoffzelle 1 wird über eine Leitung 5 mit Synthesegas versorgt, das in einem (nicht gezeigten Reformer) aus dem Brennstoff einer Brennkraftmaschine gewonnen wird. Die Brennstoffzelle 1 wird ferner über eine Leitung 6 mit Luft versorgt. Eine der Brennstoffzelle 1 zugeordnete Prozeßluft-Versorgung ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Eine Leitung 7 dient zur Zufuhr von Wasser, was bei bestimmten Bauarten von Brennstoffzellen erforderlich ist. Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der chemische Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln kann. Bei der Oxidation des Synthesegases entsteht Wärme, so daß das aus der Leitung 8a austretende Abgas eine Temperatur von 300 bis 600°C hat. Die Abgasleitung 8a mündet in eine Baueinheit 3. In dieser Baueinheit 3 sind ein Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zusammengefaßt. Das gekühlte Abgas tritt durch eine Leitung 8b aus der Baueinheit 3 aus. Ein Wärmeaustauschmedium, wie z. B. Wasser tritt durch eine Leitung 9a in die Baueinheit 3 ein, und es tritt in erwärmtem Zustand durch eine Leitung 9b aus dieser wieder aus. In der Baueinheit 3 ist ein (nicht gezeigter) Kanal für die Abgase ausgebildet, der die Abgasleitungen 8a und 8b miteinander verbindet. Dieser Abgaskanal ist so ausgebildet, daß die Einströmöffnung an der Baueinheit 3 möglichst hoch oben und die Ausströmöffnung möglichst tief unten angeordnet ist, wobei sich zwischen der Ein- und der Ausströmöffnung des Kanals kein ansteigender Bereich befindet. Infolge dieser Ausbildung hat der Abgaskanal die Funktion eines Wasserstoppers. Bei einer Wasserdurchfahrt kann Wasser durch die Abgasleitung 8b in den Abgaskanal gelangen, wodurch das Abgas am Ausströmen gehindert ist. Dadurch bildet sich in dem Abgaskanal ein Rückstau, der ein weiteres Ansteigen des Wassers bis zu der höher gelegenen Abgasleitung 8a verhindert. Die Brennstoffzelle 1 ist daher vor eindringendem Wasser geschützt.In the sole figure of the drawing, an APU system formed by a fuel cell is shown schematically. A fuel cell 1 is over a line 5 supplied with synthesis gas, which is obtained in a (not shown reformer) from the fuel of an internal combustion engine. The fuel cell 1 is also via a line 6 supplied with air. One of the fuel cell 1 assigned process air supply is denoted by the reference numeral 2 designated. A line 7 is used to supply water, which is required for certain types of fuel cells. The fuel cell is an electrochemical energy converter that can convert chemical energy directly into electricity. In the oxidation of the synthesis gas heat is generated, so that from the line 8a exiting exhaust gas has a temperature of 300 to 600 ° C. The exhaust pipe 8a flows into a structural unit 3 , In this unit 3 are a heat exchanger and a Abgasnachbe combined action device. The cooled exhaust gas passes through a conduit 8b from the assembly 3 out. A heat exchange medium, such as. B. Water enters through a pipe 9a in the unit 3 and it passes through a conduit in a heated condition 9b out of this again. In the unit 3 is formed (not shown) channel for the exhaust gases, the exhaust pipes 8a and 8b connects with each other. This exhaust passage is formed so that the inflow opening on the unit 3 as high as possible and the outflow opening is arranged as low as possible below, with no rising area between the inlet and the outflow opening of the channel. As a result of this design, the exhaust passage has the function of a water stopper. When passing through water, water can pass through the exhaust pipe 8b enter the exhaust passage, whereby the exhaust gas is prevented from flowing out. As a result, a backflow forms in the exhaust gas duct, which further increases the water up to the higher-lying exhaust gas line 8a prevented. The fuel cell 1 is therefore protected from the ingress of water.

Der in der Baueinheit 3 angeordnete Wärmetauscher zur Rückgewinnung der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie und die Abgasnachbehandlungseinrichtung sind so ausgebildet, daß sie die Funktion eines Schalldämpfers und/oder Schalldämmers haben. Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren sind zahlreiche Bauarten von Schalldämpfern bekannt, die darauf beruhen, daß durch variable Strömungsquerschnitte, d. h. Drosselstellen und Diffusoren die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases variiert wird, um Druckwellen zu kompensieren. Zu diesem Zweck kann die Innenwand des Abgaskanals auch mit einem schalldämmenden Material ausgekleidet sein. Diese an sich bekannten Konstruktionsmerkmale eines Schalldämpfers werden im vorliegenden Fall auf die den Wärmetauscher und die Abgasbehandlungseinrichtung umfassende Baueinheit übertragen. Beispielsweise kann die Abgasbehandlungseinrichtung, die einen Katalysator und/oder einen Filter umfassen kann, im Sinne einer Drossel ausgebildet und dem als Wärmetauscher dienenden Abgasrohr vorgeschaltet sein.The one in the unit 3 arranged heat exchangers for recovering the heat energy contained in the exhaust gas and the exhaust gas aftertreatment device are designed so that they have the function of a muffler and / or sound attenuator. In the field of internal combustion engines, numerous types of mufflers are known, which are based on variable flow cross sections, ie throttle points and diffusers, the flow rate of the exhaust gas is varied to compensate for pressure waves. For this purpose, the inner wall of the exhaust duct can also be lined with a sound-absorbing material. These known construction features of a silencer are transmitted in the present case to the unit comprising the heat exchanger and the exhaust gas treatment device. For example, the exhaust gas treatment device, which may comprise a catalyst and / or a filter, designed in the sense of a throttle and be connected upstream of the exhaust pipe serving as a heat exchanger.

Dadurch, daß die Baueinheit 3 eine dreifache Funktion erfüllt, indem sie als Wärmetauscher, als Abgasbehandlungseinrichtung und als Schalldämpfer dient, wird neben einer Kosteneinsparung eine Verringerung des Gewichts und, was im Automobilbau von besonderer Bedeutung ist, eine Verringerung des erforderlichen Bauraums erzielt.Due to the fact that the unit 3 fulfills a triple function by serving as a heat exchanger, as exhaust gas treatment device and as a muffler, a reduction in weight and, what is of particular importance in the automotive industry, a reduction of the required space is achieved in addition to cost savings.

Für den Fall, daß dem aus der Brennstoffzelle 1 austretenden Abgas keine Wärme entzogen werden soll, ist ein Ventil 4 und eine Umgehungsleitung 8c vorgesehen, so daß das Abgas die Baueinheit 3 umgehen kann.In the event that from the fuel cell 1 exiting exhaust gas no heat is to be withdrawn is a valve 4 and a bypass line 8c provided so that the exhaust gas is the structural unit 3 can handle.

11
Brennstoffzellefuel cell
22
ProzeßluftversorgungProcess air supply
33
Baueinheitunit
44
VentilValve
55
SynthesegasleitungSynthesis gas line
66
Luftleitungair line
77
Wasserleitungwater pipe
8a8a
Abgasleitung (heiß)exhaust pipe (hot)
8b8b
Abgasleitung (kalt)exhaust pipe (cold)
8c8c
Umgehungsleitungbypass line
9a9a
Wasserleitung (kalt)water pipe (cold)
9b9b
Wasserleitung (warm)water pipe (warm)

Claims (2)

Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase eines in einem Kraftfahrzeug als Stromerzeuger eingesetzten Brennstoffzellensystems, umfassend einen Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (Abgas-Katalysator und/oder Partikelfilter), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher und die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Baueinheit (3) zusammengefaßt sind, die als Schalldämpfer und/oder Schalldämmer ausgebildet ist.Device for treating the exhaust gases of a fuel cell system used as a power generator in a motor vehicle, comprising a heat exchanger and an exhaust gas aftertreatment device (exhaust gas catalytic converter and / or particle filter), characterized in that the heat exchanger and the exhaust gas after-treatment device are combined to form a structural unit ( 3 ) are summarized, which is designed as a muffler and / or sound absorbers. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Baueinheit (3) ein Kanal für die Abgase ausgebildet ist, wobei die Einströmöffnung in einem oberen Punkt der Baueinheit und die Ausströmöffnung in einem unteren Punkt der Baueinheit angeordnet ist und sich zwischen der Ein- und der Ausströmöffnung des Kanals kein ansteigender Bereich befindet.Apparatus according to claim 1, characterized in that in the structural unit ( 3 ) is formed a channel for the exhaust gases, wherein the inflow opening is arranged in an upper point of the assembly and the outflow opening in a lower point of the assembly and is located between the inlet and the outflow of the channel no increasing area.
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